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真空凍干科學的應(yīng)用領(lǐng)域
真空凍干科學的應(yīng)用領(lǐng)域
真空鍍膜技術(shù)是真空應(yīng)用技術(shù)的一個重要分支，它已廣泛地應(yīng)用于光學、電子學、能源開發(fā)，理化儀器、建筑機械、包裝、民用制品、表面科學以及科學研究等領(lǐng)域中。真空鍍膜所采用的方法主要有蒸發(fā)鍍、濺射鍍、離子鍍、束流沉積鍍以及分子束外延等。此外還有化學氣相沉積法。如果從真空鍍膜的目的是為了改變物質(zhì)表面的物理、化學性能的話，這一技術(shù)又是真空表面處理技術(shù)中的重要組成部分，其分類如表 6 所示?，F(xiàn)就其幾個主要應(yīng)用方面做一簡單介紹。首先在光學方面，一塊光學玻璃或石英表面上鍍一層或幾層不同物質(zhì)的薄膜后，即可成為高反射或無反射(即增透膜)或者作任何預(yù)期比例的反射或透射材料，也可以作成對某種波長的吸收，而對另一種波長的透射的濾色片。高反射膜從大口徑的天文望遠鏡和各種激光器開始、一直到新型建筑物的大窗鍍膜茉莉，都很需要。增透膜則大量用于照相和各種激光器開始、一直到新型建筑物的大窗鍍膜玻璃，都很需要。增透膜則大量用于照相機和電視攝象機的鏡頭上。在電子學方面真空鍍膜更占有極為重要的地位。各種規(guī)模的繼承電路。包括存貯器、運算器、告訴邏輯元件等都要采用導(dǎo)電膜、絕緣膜和保護膜。作為制備電路的掩膜則用到鉻膜。磁帶、磁盤、半導(dǎo)體激光器，約瑟夫遜器件、電荷耦合器件( CCD )也都甬道各種薄膜。在顯示器件方面，錄象磁頭、高密度錄象帶以及平面顯示裝置的透明導(dǎo)電膜、攝像管光導(dǎo)膜、顯示管熒光屏的鋁襯等也都是采用真空鍍膜法制備。在元件方面，在真空中蒸發(fā)鎳鉻，鉻或金屬陶瓷可以制造電阻，在塑料上蒸發(fā)鋁、一氧化硅、二氧化鈦等可以制造電容器，蒸發(fā)硒可以得到靜電復(fù)印機用的硒鼓、蒸發(fā)鈦酸鋇可以制造磁致伸縮的起聲元件等等。真空蒸發(fā)還可以用于制造超導(dǎo)膜和慣性約束巨變反應(yīng)用的微珠鍍層。此外還可以對珠寶、鐘表外殼表面、紡織品金屬花紋、金絲銀絲線等蒸鍍裝飾用薄膜，以及采用濺射鍍或離子鍍對刀具、模具等制造超硬膜。近兩年內(nèi)所興起的多弧離子鍍制備鈦金制品，如不銹鋼薄板、鏡面板、包柱、扶手、床托架、樓梯欄桿等目前正在盛行。
表6 真空表面處理技術(shù)的分類
表面處理目的 | 處理方法 | 粒子運動能量 | 工作方式 | ||
等離子體 | 高真空 | ||||
薄膜沉積（表面厚度增加） | PVD | 真空蒸發(fā)鍍膜 | 0.1~1ev | 等離子熔射輝光放電分解 | 電阻加熱蒸發(fā) 加子束蒸發(fā) 真空電弧蒸發(fā) 真空感應(yīng)蒸發(fā) 分子束外延 |
蔗農(nóng)濺射鍍膜 | 10~100ev | 放電方式：直流、交流、高頻 電極數(shù)值： 2 級、 3 級、 4 級 反應(yīng)濺射、磁控濺射、對向靶濺射 | 離子束濺射鍍膜 | ||
真空離子鍍膜 | 數(shù) 10~5000ev | 直流二級型 多陰極型 ARE 型、增強 ARE HCD 型 高頻型 | 單一離子束鍍膜 集團離子束鍍膜 | ||
CVD | 化學反應(yīng)熱擴散 | 等離子增強化學氣和沉積（ PCVD ） | 低壓等離子化學氣相沉積 （ LPCVD ） | ||
微細加工（表面厚度減少） | 離子刻蝕 | 數(shù)百 ev~ 數(shù) kev | 高頻濺射刻蝕 等離子刻蝕 反應(yīng)離子刻蝕 | 離子束刻蝕 反應(yīng)離子束刻蝕 電子束刻蝕 X 射線曝光 | |
表面改性（不改變表面厚度） | 離子注入 | 數(shù) kev~1000kec | 活性離子沖擊離子氮化 | 離子注入 | |
5、真空在食品包裝及冷凍干燥工業(yè)中的應(yīng)用
近二十年來利用真空氣氛對食品進行保鮮的包裝技術(shù)發(fā)展較快。因為這種包裝不但具有免除氧氣使食品不易腐爛變質(zhì)，貼體和充氣包裝即可不受昆蟲危害又可抑制霉菌生長，可提高和延長食品保鮮程度和存放時間等特點，而且包裝設(shè)備大多結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，價格低廉，采用的塑料包裝材料成本低、美觀大方、易于普及。真空包裝的食品種類較多，如榨菜、大頭菜、海帶、香腸、扒雞、燒鴨、豆制品、奶粉、麥乳精等等。由于新鮮的產(chǎn)品從收獲到另售過程中所經(jīng)過的中間環(huán)節(jié)時間較長，損失嚴重易提高銷售價格，而真空包裝工藝的推廣，將使新鮮產(chǎn)品的價格和冷藏費用降低，從而可緩和供需之間的矛循。因此真空保鮮必將成為潛力極大的市場而活躍在人們的生活中。
真空冷凍干燥技術(shù)zui早出現(xiàn)于二十世紀初，近年來發(fā)展很快。這是因為它與通常的熱曬、熱風干燥，紅外干燥，高頻干燥相比較具有很多的優(yōu)點。由于冷凍干燥的工藝過程是先將被干物料凍結(jié)，然后抽真空，使物料中已凍結(jié)成冰的水份不經(jīng)過液態(tài)而直接升華去掉。因此凍干后的制品、不但可以呈現(xiàn)多孔性狀態(tài)而保持原來的形狀，便其加水后易恢復(fù)原狀，而且低溫干燥還可以防止物料熱分解。同時由于真空氣氛下干燥的物料免除了氧化作用，因此干燥后的制品，其物理、化學和生物性能可*不變。真空冷凍干燥的應(yīng)用范圍正在逐年擴大。具應(yīng)用實便如表 7 所示。
表7 真空冷凍干燥的應(yīng)用范圍及實例
應(yīng)用范圍 | 應(yīng)用實例 |
生物體保存 | 血漿、細菌、動脈、骨骼、皮膚'、角膜、神經(jīng)組織 |
貴重或熱敏性藥物生產(chǎn) | 酶、疫苗、激素、各種抗生素 |
食品制作與保存 | 咖啡、海產(chǎn)品、水果、調(diào)味品 |
微粉末干燥 | 氨基酸、金屬粉、礦物粉 |
6、真空在航天工業(yè)中的應(yīng)用
真空科學與航天技術(shù)密切相關(guān)的主要環(huán)節(jié)來至于空間的環(huán)境模擬，因為運載火箭、人造衛(wèi)星、載人飛船、空間站、宇宙探測器以及航天飛機等各種空間飛行器，在空間飛行的過程中、都是在宇宙的自然真空中進行的。因此他們除了直接的受到空間真空環(huán)境的影響外，還要受到太陽輻射、各種帶電粒子及溫度的影響。這些因素將造成材料性能的改變或損傷;儀器靈敏度的失靈，從而會破壞這些飛行器的工作，甚至會造成宇航員的傷亡。為此，在地面上建立模擬空間環(huán)境的宇宙空間模擬實驗裝置，是非常必要的。因為只有在各種飛行器上天之前通過地面的模擬實驗。掌握航天器在空間工作的條件和特性，消除飛行中的各種隱患，才能確保飛行器及宇航員的安全。為了滿足這些要求，目前在地面上建立起的各種模擬裝置較多。表 8 給出了幾種主要模擬裝置的實驗內(nèi)容及其對真空度的要求。供讀者參考。
表8 宇宙空間模擬設(shè)備的分類、實驗內(nèi)容及實用真空度
分類 | 模擬實驗內(nèi)容 | 實用真空度 (Pa) |
火箭發(fā)動機 | 火箭發(fā)動機空間點火。再起動、熱平衡發(fā)動機推力測量、全尺寸燃燒，羽流效應(yīng)燃料在真空中性質(zhì)，太陽譜模擬，飛行器振動 | 10 -1 ~10-8 |
宇航員訓練密封艙 | 空間環(huán)境適應(yīng)性 ( 失重，生理變化，生活規(guī)律等 ) 飛行事故處理能力．宇航服性能，宇宙醫(yī)學研究 | 10 2 ~1 |
離子推力器 | 離子推力器封命及性能 | 10-4 ~10-5 |
材料及元件 | 溫控材料，太陽能電池，飛船添隔熱材料，耐高溫材料，潤滑材料，光學斑，消旋軸承 | 10-1 ~10-6 |
熱真空實驗 | 衛(wèi)生飛船的部件及整體性能 | 10-4 ~10-5 |
衛(wèi)星表面帶電模擬 | 為了防止衛(wèi)星、飛航表面介質(zhì)產(chǎn)生不均勻現(xiàn)象，影響衛(wèi)星正常工作，為研究材料進行充電，放電及防護而要求衛(wèi)生表面帶電模擬實驗 | 10-3 ~10-5 |
7、真空在加速器及受控核聚變中的應(yīng)用
加速器是對粒子加速使被加速的粒子獲得高能源的裝置，在加速器中能夠產(chǎn)生各種能量的電子、質(zhì)子、氘、a粒子及其它重離子。利用這些粒子與物質(zhì)的相互作用，還可以產(chǎn)生各種帶電和不帶電的次級粒子，如7粒子、中子、多種介子、超子、反粒子等。加速器產(chǎn) 生的粒子和射線已經(jīng)用于核物理的研究以及醫(yī)療、工業(yè)、農(nóng)業(yè)食品等部門。
為確保粒子與殘余氣體分子不發(fā)生碰撞 散射現(xiàn)象、真空度必須達到保證粒子直線運動的要求，否則不但會引起束流損失或粒子達不到高的能 量，而且也易發(fā)生真空絕緣不夠?qū)е录?速器擊穿，使加速器不能處于正常工作狀態(tài)。表9是各種加速器的分類及它們所要求 的真空 度。
表9 加速器的類型及其真空度范圍
加速器類型 | 真空度范圍（ Pa ） |
靜電加速器 | 1.3 × 10-3~1.3 × 10-4 |
直線加速器 | 1.3 × 10-3 ~1.3 × 10-6 |
回旋加速器 | 1.3 × 10-4 ~1.3 × 10-4 |
電子 - 正電子貯存環(huán)（意大利） | 1.3 × 10-7 |
質(zhì)子貯存環(huán)（歐美聯(lián)合原子核研究中心） | 1.3 × 10-9 |
高義環(huán)超導(dǎo)貯存加速器（美國） | 1.3 × 10-10 |
隨著地球上石油儲量的逐漸減少及大量能源消耗中所引起的環(huán)境污染。新能源的開發(fā)已經(jīng)提到日程，其中受控核聚變所產(chǎn)生的巨大能源的利用，就是的一種。
目前，在這種新能源的開發(fā)上主要有兩種，一種是利用重原子核裂變?yōu)閮蓚€輕原子核。在其裂變反應(yīng)過程中所釋放出來的巨大的能量來發(fā)電、建立原子能發(fā)電站;另一種是利用兩個輕原子( 如氘、氚 )聚合成一個重原子核能釋放出來的巨大能量，這就是核聚變反應(yīng)。利用這種反應(yīng)所產(chǎn)生的能量，必須對反應(yīng)過程加以控制，因此稱為受控核聚變。由于這種聚變的原料氘和氚的來源可從取之不盡的海水中提取，因此它的發(fā)展前途是不言而喻的。
核聚變反應(yīng)要求的溫度很高：1.約為2億度，這樣高的溫度、只有像太陽那樣的恒星內(nèi)部才能達到。在聚變反應(yīng)中，如果氘氚中含有雜質(zhì)、這種超高溫是很難達到的。因此將核聚變裝置中抽到十分清潔的超高真空是必*的條件。通常要求的真空度在10-7 ～ 10-9Pa范圍內(nèi)
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